[发明专利]一种应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪

说明书

本发明提供的是一种应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪。包括窄带光源、全保偏Mach‑Zehnder干涉仪、干涉信号探测单元、差分电路、解调系统。本发明采用保偏光纤器件搭建全保偏干涉仪，光信号在保偏光纤的快轴和慢轴中同时传输，形成两套传感系统；这两套传感系统分别对温度和应变有不同的响应，因此可以实现两者的同时测量；Mach‑Zehnder干涉结构无后反式传输，有效地抑制了光传输过程中的瑞利散射噪声；将保偏光纤中的光从快慢轴中分离出来，使用差分电路对同轴信号进行差分处理，降低噪声，提高测量精度。本发明制作简单，测量便捷，精度高，能够有效克服交叉敏感的问题。本发明可用于石油勘探、地震观测等领域。

技术领域

本发明涉及的是一种光纤传感技术，具体地说是一种高精度应变与温度同时测量的保偏光纤干涉仪。

背景技术

光纤传感器作为如今传感领域的一项重要研究内容之一，具有体积小、质量轻、灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、可在恶劣环境下工作等优点。光纤传感器在环境测量方面的应用也越来越广泛。

由于光纤会同时受到应变和温度的影响，两者互相干扰，因此如何将应变和温度两种因素分离开，实现两者的同时测量，成为目前研发的热点。当前可应用于应变、温度同时测量的光纤传感器主要有分布式光纤传感器、光纤光栅传感器、光子晶体光纤传感器等。

将应变和温度参量分别测得的方法中最常用的方法是构建二元一次方程组，基本思想是利用两种或两种以上对应变和温度有不同响应的传感器同时对两种参量进行感应，或是一个传感器中的对应变和温度分别有两个不同响应的结构，这样就可以得到如下二元一次方程组：

式中和分别是传感器1和传感器2对应变和温度的总体响应；ε——应变、ΔT——温度变化量，均为未知量；α₁和α₂分别是两传感器单独对应变的灵敏度；β₁和β₂分别是两传感器单独对温度的灵敏度。利用这样的方程组就可以分别解得所求的应变和温度值，实现两者同时测量。

2009年东南大学的李爱群等人提出的将两个对应变和温度有不同响应的光纤光栅封装到听一个不锈钢管中，进而对应变和温度进行测量(CN201382778Y)，这种方式的普遍问题是结构复杂，体积大，并且两个传感结构之间有一定的距离，误差较大导致测量精度较低；因此逐步替代以上方式的是在一套传感装置中主动制作出两个不同响应结构的传感单元。2012年中国人民解放军国防科学技术大学的宋章启等人公开的一种通过腐蚀得到不同直径的光纤光栅来同时测量应变和温度的方法(CN102829893A)，是在同一根光纤上通过制作出两个不同特征的光栅使其对应变和温度有不同的响应，然而这样的方法会引入额外的损耗，以及降低传感器的性能，并且主动制作也会存在精度无法控制的问题。针对这些问题，国内外的研究学者开始关注保偏光纤。保偏光纤存在快轴和慢轴两个传输路径，根据这一特点，其自身就可以用作两套传感装置，成功避免了以上所述的难题。

2011年Koji Omichi,Sakura(JP)等人在美国专利上公开了一种使用光频域反射测量的物理量测量装置，以及使用该装置同时测量应变和温度的方法(US7889332B2)，这种方法就是利用了保偏光纤快慢轴同时工作这一特性，借助光栅的传感性能搭建了一个双Michelson结构的干涉仪，通过OFDR的分析方法以及布拉格反射光的波长变化来确定检测位置的应变和温度，具有较高的空间分辨率、多点测量等优点，但是解调算法相对复杂，光栅需要制作装置，技术成本相对较高。

2016年中国计量大学的金嘉俊等人提出了一种由部分保偏光纤构成的同时测量应变和温度的光纤传感器(CN205719020U)，这个传感结构是由主动熔接的两个花生状光纤构成Mach-Zehnder干涉仪；传感单元为保偏光纤，通过检测光谱仪上透射光干涉衰减峰的波长值，利用透射光谱中的两个不同的谷对应的波长变化来实现对外界应变和温度的同时测量。该传感器结构简单、测量方便，但是根据透射光谱中谷的波长变化进行测量，动态范围较小，且熔接相对复杂。